[论文解读] Fermi surface and strong coupling superconductivity in single crystal NdFeAsO_{1-x}F_x

Chang Liu, Takeshi Kondo+13 more|ArXiv.org|Jun 12, 2008

Iron-based superconductors research被引用 9

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘了单晶NdFeAsO1-xFx的费米面和电子结构，揭示了在Γ点存在一个空穴口袋，以及在M点存在电子口袋，20 meV的超导能隙表明强耦合行为。在Tc以下的谱学演化与铜氧化物超导体极为相似，表明尽管电子起源不同，其配对机制仍具有相似性。

ABSTRACT

We use angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) to investigate the electronic properties of the newly discovered oxypnictide superconductor, NdFeAsO_{1-x}F_x. We find a well-defined Fermi surface that consists of a large hole pocket at the Brillouin zone center and a smaller electron pocket in each corner of the Brillouin zone. The overall location and shape of the Fermi surface agrees reasonably well with calculations. The band dispersion is quite complicated with many flat bands located just below the chemical potential. We observe a superconducting gap of 20 meV, which indicates that this system is in the strong coupling regime. The emergence of a coherent peak below the critical temperature Tc and diminished spectral weight at the chemical potential above Tc closely resembles the spectral characteristics of the cuprates.

研究动机与目标

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测定新发现的氧砷化物超导体NdFeAsO1-xFx的电子结构。
• 确定费米面的拓扑结构，并评估其与理论计算的一致性。
• 测量超导能隙并分析Tc以下的谱学变化，以评估配对机制。
• 将NdFeAsO1-xFx的谱学特性与高温超导铜氧化物进行比较，尤其关注相干峰的形成与谱重重分布。

提出的方法

• 在不同温度下，使用22 eV和77 eV的光子能量对单晶NdFeAsO1-xFx进行了角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 通过在化学势附近20 meV窗口内对光电子强度进行积分，提取费米面图。
• 通过拟合动量分布曲线（MDCs）以定位费米面交点并确定能带色散关系。
• 通过分析能量分布曲线（EDCs）研究谱重演化并识别超导能隙特征。
• 对同一晶体进行了温度依赖的隧道二极管谐振器（TDR）测量，以确认其超导性。
• 采用第一性原理FLAPW计算，与实验获得的费米面拓扑结构进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 NdFeAsO1-xFx的详细费米面拓扑结构是什么？其与理论预测的符合程度如何？
• RQ2 NdFeAsO1-xFx中超导能隙的大小是多少？这对耦合强度意味着什么？
• RQ3 在Tc以下和以上，其谱学特征与铜氧化物超导体相比有何异同？
• RQ4 在费米能级附近是否存在平坦能带，可能通过电子关联效应介导电子配对？
• RQ5 在Tc以下观察到的谱学演化是否表明其机制与高温超导铜氧化物类似？

主要发现

• 费米面由位于Γ点的空穴口袋和位于M点的电子口袋组成，与能带结构计算结果一致。
• 在Γ点附近化学势以下约50 meV处观察到一个显著的平坦能带，若考虑kz色散效应，可能在Z点形成椭球形口袋。
• 在Γ点空穴口袋处测得20 meV的超导能隙，对应2Δ/Tc ≈ 8，表明强耦合行为。
• 在Tc以下，约20 meV结合能处出现一个尖锐的相干峰，费米能级附近的谱重减弱，与铜氧化物中的行为一致。
• 谱学演化特征（包括色散关系的反向弯曲及Tc以上类似赝能隙的特征）与高温超导铜氧化物极为相似。
• 通过隧道二极管谐振器技术测得的穿透深度结果确认了ARPES测量晶体的超导性。